Сучасні спостережні дані про фізико-хімічному складі планет і кометно-астероїдному компоненті дозволяють запропонувати наступний найбільш ймовірний сценарій їх утворення в процесі формування Сонця і самої сонячної системи
Близько 10 млрд. років тому протозвездное хмара, з якого згодом народилося Сонце і планети, являло собою квазісферіческое утворення, що складається на 75% з водню і 25% - з гелію-4, а на частку всіх інших елементів припадала лише незначна частина маси хмари . Тим не менш, незважаючи на відносно малий внесок у щільність протозвездной матерії, роль цих важких елементів була визначальною в динаміці охолодження речовини. Фізикам і хімікам добре відомий той факт, що чим вище атомний номер хімічного елемента, тим легше збуджується його електронна оболонка. Це порушення супроводжується висвічування квантів електромагнітного випромінювання, що забирають енергію, витрачену на порушення атома. Власне, цей механізм визначає тепловий режим протосонячній хмари, приводячи до зменшення його температури
Поряд з охолодженням, протосонячній хмара стискається під дією власної гравітації речовини, що супроводжується наростанням щільності в центрі хмари. Зростання щільності призводить до розігрівання центральній частині хмари до надвисоких температур, коли можливо "включення" реакцій термоядерного синтезу елементів. При цьому між гравітацією і тиском речовини в центральній частині хмари встановлюється баланс, що характеризує першу фазу формування нашого Сонця
А що в цей період відбувається на періфіріі протосонячній хмари? Численні розрахунки і комп'ютерні експерименти дозволяють зробити висновок про те, що на фазі формування ядра зовнішні області хмари мають складну багатофазну структуру
Перш за все, в області ядра виникає зона акреції (натекания) навколишнього речовини на центральне утворення, що приводить до збільшення його маси. Виділяється в результаті стиснення ядра енергія формує область сильної іонізації, що розширюється до периферії хмари. Під дією випромінювання речовина "видувається" до периферії і збирається в щільну оболонку - пиловий кокон, що тягнеться аж до зовнішньої межі хмари. При цьому відносно слабке обертання протозвездой хмари на початку стиснення, у міру формування щільної центральної зони буде уси-лива і приводити до сплющиванию всієї системи в тороідальному освіта
Комп'ютерне моделювання дозволяє виділити декілька характерних етапів цього процесу. На першій (1) фазі баланс між гравітацією, тиском і обертанням речовини призводить до утворення спочатку товстого, а потім все більш уплощаются диска. Далі в диску відбувається фрагментація речовини на згустки пилу (2-3). Через приблизно мільйон років пилові згустки злипаються в компакті тіла астероїдних розмірів з близьким до пиловим фізико-хімічними состававом (4). Після цього приблизно ще 100 млн. років рій астероїдів відчуває інтенсивне перемішування, що супроводжується дробленням більш великих об'єктів і об'єднанням (слипанием) дрібних. На цій фазі (5), власне і формуються зародки планет земної групи - Меркурія, Венери, Марса і Землі. Після цього, приблизно ще за 200 млн. років (6) сформувалися планети групи Юпітера, аккреціровав на себе газ, що не ввійшов в менш масивні планети земної групи. І, нарешті, ще через 1 млрд. років утворюються самі віддалені від Сонця планети - Нептун і Плутон, завершальні процес формування сонячної системи як цілого
З цього сценарію стає ясно, що астероїди і комети - це залишки рою протопланетних тіл, причому астероїди - це кам'янисті освіти внутрішньої околосолнечной зони, породила планети земної групи, а комети - це кам'яно-крижані освіти, генетично пов'язані із зоною планет-гігантів. Але найбільш примітно, що в процесі формування планет групи Юпітера, планети-гіганти Юпітер і Сатурн виконали роль своєрідних "чистильників" сонячної системи, своїм гравітаційним полем викинувши малі Протопланетні згустки на далеку периферію сонячної системи. Таким чином, сонячна система опинилася оточена роєм кам'яно-крижаних тіл, що простирається на відстані від 20000 до 200000 радіусів орбіт Землі навколо Сонця (як не здивуватися "спеціальної" підготовці Землі для зародження на ній біологічного життя і як не здивуватися преклонінню древніх не тільки Сонця, але і Юпітеру!)
Цікаво, що ще в 1950 році видатний голландський астроном Ян Оорт, аналізуючи орбіти руху 19 довгоперіодичних комет, задовго до епохи комп'ютерного моделювання та безпілотної місії до комети Галлея, висловив припущення про необхідність існування коментного поясу на периферії Сонячної системи. За минулі майже 50 років список відомих комет збільшився практично на порядок, а їх траєкторії чудово узгоджуються з уявленнями про існування кометної пояса. Далі, слідуючи традиції, цей кометний пояс сонячної системи ми будемо називати "хмарою Оорта"
Наскільки ж масивно хмара Оорта? За сучасними даними його маса виявляється вельми невелика - приблизно 10% маси Землі припадає на сто мільярдів ядер комет. Звідси легко визначити масу "типового" кометного ядра - близько ста мільярдів тонн, хоча у світі комет існують як "карлики" (масою до мільярда тонн), так і "гіганти" (до ста тисяч мільярдів тонн!). Однак і "карлики" і "гіганти" рухаються в сонячній системі по еліптичних орбітах, у повній відповідності до законів механіки і теорії гравітації. Ці ж закони передбачають, що орбіти комет є стійкими, тобто подібно планет, ядра комет здійснюють свій кругообіг на периферії сонячної системи в хмарі Оорта. Але тоді чому ж ми зустрічаємо їх у внутрішніх областях сонячної системи? Для відповіді на це питання нам потрібно зробити наступний крок у розумінні пристрою сонячної системи та її місця в нашій Галактиці
NEAR здійснив посадку на Ерос (14 лютого 2001 р.)
Подолавши за п'ять років більше 3 мільярдів кілометрів, дослідницький зонд NEAR Shoemaker досяг астероїда Ерос. Посадка на поверхню астероїда тривала чотири години, протягом яких зонд передавав дані на Землю. Протягом минулого року NEAR звертався по орбіті навколо астероїда. Своєю формою астероїд нагадує картоплину, його довжина складає 33,6 км
Цей дослідницький зонд не розроблявся як посадкова щабель. Оскільки слабке поле сили тяжіння астероїда притягувало зонд до поверхні, сповільнюючи його рух, було цікаво отримати фотографії поверхні астероїда під час зниження корабля. Зонд встиг передати детальні знімки крупним планом, перш ніж його зв'язок із Землею перервалася в результаті руйнування при посадці
Форма і обертання астероїдів
Астероїди такі малі, що сила тяжіння на них незначна. Вона не в змозі надати їм форму кулі, яку надає планет і їх великою супутникам, мнучи і утрамбовувавши їх речовина. Велику роль при цьому грає явище текучості. Високі гори на Землі у підошви "розповзаються", так як міцність порід виявляється недостатньою для того, щоб витримати навантаження в багато тонни на 1 см3, і камінь, не дроблячись, не розколюючись, тече, хоч і дуже повільно
На астероїдах поперечником до 300-400 км з-за малої ваги там порід подібне явище текучості зовсім відсутня, а на найбільших астероїдах воно відбувається надзвичайно повільно, та й то лише в їхніх надрах. Тому "утрамбовані" силою тяжіння можуть бути лише глибокі надра небагатьох великих астероїдів. Якщо речовина астероїдів не проходило стадії плавлення, то воно повинно було залишитися "погано упакованим", приблизно, яким виникло на стадії акумуляції в протопланетному хмарі. Тільки зіткнення тіл один з одним могли призвести до того, що речовина поступово уминала, стаючи менш рихлим. Втім, нові зіткнення повинні були дробити спресовані речовина
Мала сила тяжіння дозволяє розбитим астероїдів існувати у вигляді агрегатів, що складаються з окремих блоків, утримуються одна біля одної силами тяжіння, але не зливаються один з одним. З тієї ж причини не зливаються з ними та опустилися на поверхню астероїдів їх супутники. Місяць і Земля, зіткнувшись один з одним, слслісь б, як зливаються (хоча і з іншої причини) зіткнувшись краплі, і через деякий час вийшло б одне, теж кулясте тіло, за формою якого не можна було б здогадатися, з чого воно вийшло. Втім, всі планети Сонячної системи на закючітельном етапі формування вбирали в себе досить великі тіла, які не зуміли перетворитися на самостійні планети або супутники. Тепер їх слідів вже немає
Лише самі великі астероїди можуть зберігати свою кулясту форму, придбану в період формування, якщо їм вдасться уникнути зіткнення з нечисленними тілами порівнянних розмірів. Зіткнення з більш дрібними тілами не зможуть суттєво змінити її. Дрібні ж астероїди повинні мати і дійсно мають неправильну форму, що склалася в результаті багатьох зіткнень і не піддавалася надалі вирівнюванню під дією сили тяжіння. Кратери, що виникли на поверхні навіть самих великих астероїдів при зіткненні з дрібними тілами, "не запливають" з плином часу. Вони зберігаються ін тих пір, поки не будуть стерті при следющим ударах про астероїд дрібних тіл, або відразу знищені ударом великого тіла. Тому гори на астероїдах можуть бути набагато вище, а западини набагато глибше, ніж на Землі та інших планетах: середнє відхилення від рівня згладженої поверхні на великих Астроїда становить 10 км і більше, про що свідчать радіолокаційні спостереження астероїдів
Неправильна форма астероїдів підтверджується і тим, що їх блиск надзвичайно швидко падає зі зростанням фазового кута. У Місяця і Меркурія аналогічне зменшення блиску цілком пояснюється тільки зменшенням видимої з Землі частки освітленої Сонцем поверхні: тіні гір і западин чинять слабкий вплив на загальний блиск. Інакше йде справа з астероїдами. Одним лише зміною освітленої Сонцем частки поверхні астероїда настільки швидка зміна їх блиску, що спостерігається, пояснити не можна. Основна причина (особливо у астероїдів малих розмірів) такого характеру зміни блиску полягає в їх неправильної форми і крайньому ступені поритої, через що на освітленій Сонцем стороні одні ділянки поверхні екранують інші від сонячних променів
Температура астероїдів
Астероїди - наскрізь холодні, мертві тіла. У далекому пршлом їх надра могли бути теплими і навіть гарячими за рахунок радіоактивних або якихось інших джерел тепла. З тих пір вони вже давно охололи. Втім, внутрішній жар ніколи не зігрівав поверхні: потік тепла з надр був невідчутно малий. Поверхневі шари залишалися холодними, і лише зіткнення час від часу викликали короткочасний локальний розігрів
Єдиним постійним джерелом тепла для астероїдів залишається Сонце, далеке і тому гріє дуже погано. Нагрітий астероїд випромінює в космічний простір теплову енергію, причому тим інтенсивніше, чим сильніше від нагріте. Втрати покриваються поглинається частиною сонячної енергії, падаючої на астероїд, яка зменшується обернено пропорційно квадрату геліоцентричного відстані. Спираючись на ці міркування і використовуючи закон Стефана-Больцмана, отримали, що у С-астероїдів на відстані 2,76 а. е. від Сонця (середня відстань Церери) максимальна температура в соняшниковій точці досягає 170 К, а на відстані 5,2 а. е. (середня відстань троянців) - 125 К. Світлі S-астероїди зігріваються гірше, тому що із-за великого альбедо вони поглинають Примарна на 10% менше сонячної енергії. Такі світлі астероїди, як Веста, поглинають приблизно на 20% менше сонячної енергії
Якщо усереднити температуру по всій освітленої поверхні, отримаємо, що у астероїдів сферичної форми середня температура освітленої поверхні в 1,2 рази нижче, ніж температура в соняшниковій точці
Через обертання астероїдів температура їх поверхні швидко змінюється. Нагріті Сонцем ділянки поверхні швидко остигають через низьку теплоємність і малої теплопровідності слагающего їх речовини. У разультата по поверхні астероїда біжить теплова хвиля. Вона швидко згасає з глибиною, не проникаючи в глибину навіть на кілька десятків сантиметрів. Глибше температура речовини виявляється практично постійною, такою ж, як у надрах астероїда - на кілька десятків градусів нижче середньої температури освітленої Сонцем поверхні. У тіл, що рухаються в кільці астероїдів, її грубо можна прийняти рівною 100-150 До
Як не мала теплова інерція поверхневих шарів астероїда, все ж таки, якщо бути зовсім строгими, то слід сказати, що температура не встигає приймати рівноважного значення зі зміною умов освітлення. Ранкова сторона, не встигаючи зігріватися, всешда трохи холодніше, ніж варто було б, а вечірня сторона виявляється трохи тепліше, не встигаючи остигати. Щодо соняшникового точки виникає легка асиметрія в розподілі температур
Максимум теплового випромінювання астероїдів лежить в області довжин хвиль близько 20 мкм. Тому їх інфрачервоні спектри повинні виглядати як безперервне випромінювання з інтенсивністю, монотонно спадною в обидві сторони від максимуму. Це підтверджується спостереженнями 10 Гігіі, 39 Летиції і 40 Гармонії, проведеними О. Хансеном в діапазоні 8-20 мкм. Проте, коли Хансен спробував на підставі цих спостережень визначити температуру астероїдів, вона виявилася вище розрахунковою (близько 240 К), і причина цього до цих пір не ясна
Низька температура тіл, що рухаються в кільці астероїдів, означає, що дифузія в астероїдному речовині "заморожена". Атоми не здатні залишати свої місця. Їх взаємне розташування зберігається незмінним протягом мільярдів років. Тільки завдяки цьому ми можемо вивчати особливості розташування, що виникли в порошинках ще до входження в астероїд, досліджувати тонкі канали - треки, пробиті частинками космічних променів у астероїдом речовині, що знаходився колись на повехности цих тіл, а потім замурованому в метеоритах, виявляти на поверхні окремих частинок, витягнутих з метеоритів, крихітні кратерочкі мікронних розмірів, створених зіткнулися з ними порошинами. Ізоляція здатна викликати до життя дифузію тільки у тих астероїдів, які рухаються по орбітах з малими перігелійнимі відстанями (завдяки чому сильно наближаються до Сонця), але лише в поверхневих шарах і на короткий час. Сліди такої дифузії безсумнівно несе в собі приповерхневе речовина астероїда Ікар. Адже в перигелії поверхню Ікара нагрівається приблизно до 1000 К
Речовина тих метеоритів, які наближалися до Сонця, наприклад, метеоритів Вашугал, Старе Песьяное та інших (про що можна судити, досліджуючи орбіти метеоритів), теж повинно носити сліди такої дифузії сліди короткочасного, але неодноразово повторюваного нагріву. Ці сліди поки не ідентифіковані, але, може бути, Розморожена на час дифузії стала причиною аномально коротких (як би відпалених) треків від космічних променів, виявлених в метеориті Марьялахті радянськими дослідниками В. П. Перелигін та іншими.
Склад астероїдного речовини
Метеорити украй різноманітні, як різноманітні і їх батьківські тіла - астероїди. У той же час вражає убогість їх мінералогічного складу. Метеорити полягають, в основному, з залізо-магнезіальних силікатів - олівінів і піроксенів різного складу, від майже чистого фаяліта і ферросіліта, що не містять магнію, до майже чистого форстерита і енстаніта, що не містять заліза. Вони присутні у вигляді дрібних кристаликів або у вигляді скла, зазвичай частково перекристалізованого. Інший основний компонент - никелистое залізо, яке представляє собою твердий розчин нікелю в залізі, і, як у будь-якому розчині, вміст нікелю в залозі буває різна - від 6-7% до 30-50%. Зрідка зустрічається і безнікелістое залізо
Іноді в значних колличествах присутні сульфіди заліза. Інші ж мінерали знаходяться в малих кількостях. Вдалося виявити всього біля 150 мінералів, і, хоча навіть тепер відкривають все нові і нові, ясно, що число мінералів метеоритів дуже мало по стравненію з великою кількістю їх в гірських породах Землі, де їх виявлено понад 1000. Це свідчить про примітивний, нерозвиненому характер метеоритної речовини. Багато мінерали присутні не у всіх метеоритах, а лише в деяких з них
Найбільш поширені серед метеоритів хондрити. Це кам'яні метеорити від світло-сірий до дуже темного забарвлення з дивовижною структурою: вони містять округлі зерна - хондри, іноді добре видимі на поверхні розлому і легко викришуються з метеорита. Розміри хондр різні - від мікроскопічних до сантиметрових. Вони займають значний обсяг метеорита, іноді до половини його, і слабо зцементовані междхондровим веществомматріцей. Склад матриці буває ідентичний з складом хондр, а іноді і відрізняється від нього. У межхондровом речовині нерідко знаходять розбиті хондри та їх уламки. Така структура властива тільки метеоритів (причому багатьом з них!) І не зустрічається більше ніде. Складені, в основному, залізо-магнезіальні силікатами, хондрити містять і мелкодісперсноє никелистое залізо, сульфіди і інші мінерали
З приводу походження хондр існує багато гіпотез, але всі вони спірні. Коротше кажучи, походження хондр до цих пір не відомо. Розрізняють HH, H, L і LL-хондрітис дуже високим, низьким і дуже низьким вмістом вільного металевого заліза. Відповідно, при переході від одного класу до іншого убуває і загальний вміст заліза (вільного і входить до силікати). Крім того, виділяють групи E-хондритів, в яких майже всі железл знаходиться у вільному стані, так що силікатів дістається майже один магній, а також групу вуглистих С-хондритів, в яких дуже мало заліза, але майже все воно знаходиться в силікату.
Формування астероїдів
У період формування Сонця умови в протопланетою диску не були, звичайно, однаковими на різних відстанях від Сонця і змінювалися з плином часу. Речовина залишалося холодним лише далеко від Сонця. Поблизу нього було сильно прогріте і пил піддавалася повному або частковому випаровуванню. Лише пізніше, коли газ охолов, вона сконденсувалась знову, але більша частина летючих речовин, що містяться в міжзоряних порошинках, виявилася втрачена і в нову пил вже не увійшла. Еволюція протопланетного диска призвела до формування в ньому планетезималей, з яких потім виросли планети. Склад планетезималей, формувалися на різних геліоцентричних відстанях, з-за різного складу пилу, що пішла на їх споруду, був різним
Так уже сталося, що астероїди - це планетезімали, що сформувалися на кордоні гарячої та холодної зони протопланетного диска, що збереглися до наших днів. Хоча кільце астероїдів має невелику протяжність (всього близько 1 а. Е.), відмінність умов в ньому було, мабуть, достатнім, щоб сформувати несхожі один на одного S-і С-астероїди. Цілком логічно думати, що S-астероїди сформувалися в більш теплій зоні, на менших геліоцентричних відстанях, ніж С-астероїди, а тепер повільно перемішуються. Однак, оскільки взагалі збереглися лише ті тіла, які сформувалися на найбільш усчтойчівих орбітах, повного перемішування їх за минулі 4,5 млрд. років не відбулося. Тому-то до сих пір С-астероїди тяжіють до зовнішньої часи кільця, а S-астероїди - до внктренней. Але, стикаючись один з одним, вони забруднюють поверхню один одного своїм речовиною, і, ймовірно, тому колір S-і C-астероїдів повільно змінюється з геліоцентричних відстанню
Астероїди формувалися в протопланетному хмарі як пухкі агрегати. Мала сила тяжіння не могла спресувати згущуються з пилу планетезимали. За рахунок радіоактивного тепла вони розігрівалися. Цей розігрів, як показали розрахунки Дж. Вуда, йшов вельми ефективно: адже пухкі тіла добре утримують тепло. Розігрів почався ще на стадії зростання астероїдів. Їх речовина в центральних частинах грілася, спікається, і, може бути, навіть плавилося, а на поверхні астероїдів все ще продовжувала висипатися пил, поповнюючи пухкий, теплоїзолірующий шар. Основним джерелом розігріву зараз прийнято вважати алюміній-26, той самий алюміній-26, який за мільйон років до формування астероїдів був вприснуто разом з речовиною наднової зірки в протосонячній туманність
Зіткнення астероїдів між собою на перших порах теж вели до ущільнення їх речовини. Астероїди ставали компактними тілами. Але надалі обурення від вирослих ланет призвели до зростання швидкостей, з якими відбувалися зіткнення. У результаті вже більш-менш компактні тіла були розбиті. Зіткнення повторювалися неодноразово, дроблячи, струшуючи, перемішуючи, зварюючи уламки, і знову дроблячи. Ось чому сучасні астероїди є, швидше за все, погано упаковані брили
До земній орбіті дрібні астероїдні уламки, надходять, звичайно, з кільця астероїдів. Це відбувається завдяки ще не цілком ясному в деталях механізму послідовної резонансної розгойдування орбіт під дією планетних збурень. Але розгойдування відбувається лише в деяких зонах кільця. Астероїди з різних місць кільця надходять неоднаково ефективно, і уламки в околицях земної орбіти можуть зовсім не бути представниками тих об'єктів, які рухаються за орбітою Марса
А в земній атмосфері виживають тільки самі повільні і найміцніші з них, що призводить до подальшого відбору. Тому в наших колекціях, безсумнівно, відсутні багато різновидів астероїдного речовини, і, можливо, що уявлення про астероїдному речовині, як про речовину щільному та компактному, не що інше, як застаріле, навіяне метеоритами оману.